Så fungerar UV-sensorer: konstruktion och mätfel

En UV-sensor omvandlar optisk strålning till en elektrisk signal. Mätvärdet uppstår genom detektor, filter, optik, elektronik, kalibrering och mätgeometri; det är därför aldrig en egenskap hos enbart detektorn. Det som är avgörande för jämförbarheten av UV-mätningar är framför allt spektralt responssvar, cosinusrespons, dynamiskt omfång, strölljus och överensstämmelsen med den faktiska källan.

Denna sida följer signalvägen och visar var mätfel uppstår längs den. Bredbandsradiometrar och spektroradiometrar fungerar som de två konstruktioner där olika felkällor framträder tydligast. Båda termerna är vanliga för den vinkelberoende responsen: cosinuskorrigering avser åtgärden som vidtas vid sensorn, cosinusrespons resultatet.

Varje UV-mätning börjar med frågan om vilken storhet som ska bestämmas. I industriell praxis är detta nästan alltid irradians E i W/m², den strålningseffekt som når en yta. Integrerad över tid blir irradiansen strålningsexponering H i J/m², vanligen kallad "dosen" – den styrande storheten både vid säker UV-desinfektion och vid UV-härdning. Omvandlingen mellan de två hanteras av vår radiometrikalkylator för UV och ljus.

För en punktlik källa som strålar i alla riktningar gäller kvadratlagen: fördubblas mätavståndet fördelas samma strålningsflöde över fyra gånger så stor area, så irradiansen sjunker till en fjärdedel.

Denna lag gäller under ett villkor som ofta förbises i praktiken: källan måste vara punktlik sett från sensorn. Den etablerade tumregeln är ett mätavstånd på r ≥ 10 · d, där d är den emitterande ytans största mått.

Två ytterligare villkor är lika viktiga: sensorns orientering mot källan, och frågan om vilket spektralt område som överhuvudtaget viktas. Båda leder direkt till instrumentens utformning.

En bredbandsradiometer viktar den infallande strålningen med en fast spektral responsivitetsfunktion s(λ) inbyggd i sin optik och returnerar ett enda tal. Mäthuvudet är en stapel av optiska komponenter, och deras ordning är ingen slump.

Optiskt fönster. Vanligtvis smält kvarts, eftersom vanligt kalknatronglas i praktiken är opakt under cirka 300 nm. Fönstret skyddar komponenterna bakom det och tätar huvudet mot processmedier.

Diffusor. Den sprider den infallande strålningen och skapar därigenom den cosinusformade vinkelresponsen. Diffusorn är inte ett tillbehör utan den komponent som överhuvudtaget gör mätvärdet till en ytrelaterad storhet.

Filterstapel. Här skapas den faktiska spektrala viktningen – vanligtvis genom en kombination av interferensfilter och färgat glas. Stapeln avgör om instrumentet mäter UV-A, UV-B, UV-C eller ett applikationsspecifikt aktionsspektrum.

Detektor. Kiselfotodioder är standard; för UV-C-tillämpningar används i allt högre grad SiC-dioder eftersom de i grunden är blinda i det synliga området och därigenom avlastar filterstapeln.

En transimpedansförstärkare omvandlar sedan fotoströmmen till en spänning, och en A/D-omvandlare digitaliserar den. Den stora fördelen med denna konstruktion: en fotoström kan mätas linjärt över många dekader. Radiometrar uppnår därför ett dynamiskt omfång som en array-spektrometer inte kan matcha – och de är robusta, kompakta och relativt billiga.

ASTM G130-12(2020) klassificerar dessa instrument efter halvvärdesbredden Δλ hos deras responsivitetsfunktion i smalbandiga radiometrar (Δλ ≤ 20 nm), bredbandiga instrument (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) och vidbandiga instrument (Δλ ≥ 70 nm). Denna klassificering är mer än terminologi: ju bredare det spektrala området är, desto starkare beror mätvärdet på spektrumet hos den källa som mäts.

Ett spektroradiometer delar upp strålningen i dess spektrala komponenter och mäter spektral irradians E(λ) i W/(m²·nm). Vilket spektralområde och vilket åtgärdsspektrum som helst kan sedan härledas genom beräkning från det spektrumet – och det är precis där mångsidigheten hos denna instrumentklass ligger.

Den optiska vägen börjar, precis som i radiometern, med en ingångsoptik, oftast en diffusor som fungerar som cosinusmottagare. En optisk fiber leder strålningen till ingångsspalten. En kollimerande spegel formar en parallell stråle som träffar ett optiskt gitter. Gittret delar upp strålningen efter våglängd, och en fokuserande spegel avbildar det resulterande spektrumet på en detektorarray – CCD eller CMOS.

Så elegant principen än är, är dess fysikaliska svaghet obeveklig. Ett gitter producerar inte bara den önskade första diffraktionsordningen utan även högre ordningar som måste styras bort från strålgången. Till detta kommer spridning vid speglar, fästen och höljesytor. Båda mekanismerna avsätter långvågiga signalkomponenter vid positionen för en kort våglängd.

En bredbandig radiometer mäter aldrig "UV-A-strålningen". Den bildar en viktad integral av produkten av källspektrumet och responsivitetsfunktionen. Så länge spektrumet hos den uppmätta källan överensstämmer med kalibreringslampans spektrum är detta oproblematiskt. När det skiljer sig uppstår felet på grund av spektral mismatch.

Det blir särskilt kritiskt när testobjektets emission hamnar på en flank av responsivitetskurvan. Tillverkningstoleranser hos filtret överförs då direkt till mätvärdet. Detta är inget teoretiskt problem: för ett UV-B-långpassfilter av typen WG320 kan 50 %-kanten enligt tillverkarens specifikation ligga någonstans mellan cirka 314 nm och 326 nm. Beroende på vilket exemplar som är monterat ger samma källa avvikelser som sträcker sig från några tiondels procent upp till enstaka procent – utan att instrumentet är "felaktigt".

CIE 220:2016 "Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers" (utarbetad av CIE-kommittén TC 2-47) beskriver ett systematiskt tillvägagångssätt. Rapporten överför de kvalitetsindex som är kända från fotometrin i ISO/CIE 19476:2014 till UV-radiometrar – bland dem f1′ för spektral mismatch, f2 för vinkelrespons, f3 för linjäritet, samt index för utmattnings-, temperatur- och luftfuktighetseffekter. Eftersom UV-radiometrar, till skillnad från luxmätare, inte är utformade för en enda referensbelysning, definierar CIE 220:2016 tre referensspektrum och lägger till tio verkliga källspektrum i sin bilaga – från lågtrycks- och mellantryckskvicksilverlampor via xenon- och HMI-källor till solspektrumet.

Praktisk konsekvens: den som känner till sin radiometers spektrala responsivitet och sin källas spektrum kan beräkna mismatch-faktorn och tillämpa den som en korrektionsfaktor. Det förutsätter dock att tillverkaren anger den individuellt uppmätta relativa spektrala responsiviteten och kalibreringslampans spektrum i kalibreringscertifikatet.

Mätning i UV-C innebär en svårighet som till en början kan verka paradoxal: problemet är inte UV-strålningen, det är allt annat. En medeltryckslampa av kvicksilver avger flera storleksordningar mer effekt i det synliga och nära infraröda området än i UV-C-spektret. Om bara en bråkdel av denna effekt sprids in i 254 nm-kanalen inuti instrumentet uppstår där en skenbar signal som kan överstiga den verkliga avläsningen. Hur uttalad denna obalans är för en given lampa visas av utforskaren för spektraldatabasen.

Storleksordningarna skiljer sig dramatiskt: en dubbelmonokromator uppnår ett relativt strålningsläckage på cirka 10⁻⁷ till 10⁻⁹, ett array-spektrometer ligger på 10⁻³ till 10⁻⁵, och en mikroarray-spektrometer endast på 10⁻¹ till 10⁻².

En dubbelmonokromator leder strålningen över ett gitter två gånger och undertrycker därmed strålningsläckage flera dekader mer än ett enstegssystem. Priset är storlek, mättid och kostnad – därför används den som referensinstrument i laboratoriet snarare än i fält.

Situationen förvärras av den infraröda känsligheten hos kiselbaserade detektorarrayer: de är mest känsliga just där den störande strålningen är starkast. Utan lämpliga ordningssorterande filter och en dokumenterad korrigering för strålningsläckage medför UV-C-mätningar med kompakta array-spektrometrar betydande och ofta okända osäkerheter.

Irradians definieras som strålningseffekt per ytenhet – uppmätt på en plan yta. När strålning träffar snett fördelas samma flöde över en större yta, så signalen måste avta som cos θ. En verklig mottagare approximerar detta endast: vid stora infallsvinklar uppstår reflektioner vid gränsytorna.

Kvalitetsindex f2 beskriver den genomsnittliga avvikelsen från den ideala kosinuskurvan. Det är avgörande överallt där strålning inte träffar vinkelrätt: i UV-desinfektionsreaktorer, i bestrålningskammare med reflekterande väggar, vid webbhärdning. I en kammare med starkt reflekterande väggar kan den diffusa komponenten överstiga den direkta – en sensor med dålig vinkelrespons underskattar då systematiskt.

I praktiken framgår kvaliteten på kosinuskorrigeringen ofta redan av konstruktionen: av storleken och diffusiviteten hos ingångsoptiken, och av hur långt den sticker ut över husets kant.

De källor som används inom UV-teknik skiljer sig i spektral irradians med mer än sju tiopotenser – från deuteriumlampan som används som kalibreringsstandard till 6 kW-kvicksilverlampan i en härdningslinje.

En helt digital radiometer täcker detta omfång genom fotoströmsmätning och områdesväxling. En array-spektrometer begränsas av pixlarnas fullbrunnskapacitet och av läsbrusgolvet; den fungerar genom justering av integrationstiden, vilket kostar mättid och stöter på begränsningar i båda ändarna av omfånget.

Samma distinktion gäller för analog-till-digital-omvandlaren. Dess upplösning – 12, 16 eller 24 bitar – avgör hur finkornigt värdet visas och hur brett det användbara dynamiska omfånget är. Den säger ingenting om mätnoggrannheten: den följer av kalibreringen och av den spektrala matchningen till källan som mäts.

Ett uppmätt värde utan spårbarhet är ett tal utan referensram. Den metrologiska kedjan går från det nationella metrologiinstitutet ner till instrumentet på produktionslinjen – och osäkerheten växer vid varje steg.

Högst upp finns det nationella metrologiinstitutet – PTB i Tyskland, NIST i USA – som realiserar enheten. Därunder följer kalibreringslaboratoriet ackrediterat enligt ISO/IEC 17025, som arbetar med egna normaler och vars kompetens regelbundet bedöms av ett ackrediteringsorgan. Testlaboratorier mäter enligt ett skriftligt förfarande. En fabrikskalibrering kan mycket väl vara spårbar, men den säkras inte genom oberoende bedömning. Allra längst ner finns den icke-spårbara kalibreringen: den ger reproducerbara tal, men ingen försvarbar mätosäkerhet.

Den vanliga vägen börjar vid en spektral standard – en 1000 W FEL-lampa för UV-A och det synliga området, en deuteriumlampa för det kortvågiga området. En spektroradiometer kalibreras mot denna standard (ASTM G138-12(2020)e1). Den kalibrerade spektroradiometern mäter därefter en produktionslik UV-lampa – det vill säga en källa som spektralt liknar det slutliga mätobjektet så mycket som möjligt. Referensradiometern kalibreras mot den lampan (ASTM G130-12(2020)), och därifrån överförs kalibreringen slutligen till fältinstrumenten (ASTM E824-26).

Knepet ligger i det tredje steget: genom att använda en produktionslik lampa som överföringskälla kalibreras radiometern under samma spektrala förhållanden som den senare kommer att mäta i. Spektral missanpassning – bredbandsradiometerns främsta felkälla – elimineras därmed till stor del. Just därför kan en korrekt kalibrerad bredbandsradiometer överträffa en spektroradiometer i noggrannhet för en känd lamptyp.

Två lampfamiljer används vid själva kalibreringen: linjekällor, såsom lågtryckskvicksilverlampor, för våglängdskalibrering, och kontinuumkällor – deuterium- och volfram-halogenlampor – för kalibrering av den spektrala responsiviteten. Halogenlampor kräver särskild omsorg, eftersom deras starka långvågiga utstrålning sprids inne i instrumentet och, om den inte korrigeras, ger upphov till just det ströljusfel man försöker mäta.

För mätosäkerheten innebär detta att kalibreringscertifikatet inte bara anger en faktor, utan även definierar den källa och den geometri för vilken faktorn gäller. Ju mer mätningen avviker från dessa förhållanden, desto större blir kalibreringens bidrag till den totala osäkerheten. Hur kalibreringen fungerar i detalj beskrivs under UV-kalibreringsförfarandet.

CIE 250:2022 "Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) är den aktuella referenstexten för spektroradiometriska mätningar i intervallet från 200 nm till 2500 nm. Den ersätter den nästan fyrtio år gamla CIE 063-1984 och ger en detaljerad redogörelse för de fysikaliska effekter som ska beaktas vid uppskattning av mätosäkerhet.

I praktiken framträder ett karakteristiskt mönster: den minsta uppnåbara mätosäkerheten är störst i det kortvågiga UV-området och minskar mot längre våglängder. Typiska värden för ackrediterade kalibreringar är omkring 6 % i intervallet nära 200–230 nm, omkring 3,5 % i UV-B och UV-A, och strax under 3 % i det synliga området (utvidgad mätosäkerhet, k = 2). Orsakerna till detta mönster är fysikaliska: lägre radians hos normalerna, starkare strökljuseffekter och optiska materials större känslighet för åldring och kontamination.

Var och en av de två konstruktionerna har exakt en dominerande felkälla, och de två kompletterar varandra: spektral missanpassning för den bredbandiga radiometern, strökljus för spektroradiometern. Valet följer av detta:

• Om lamptypen är känd och förblir konstant ger en lämpligt kalibrerad bredbandig radiometer den mindre mätosäkerheten – med bredare dynamiskt omfång, kortare svarstid och större robusthet.
• Om källan ändras, är okänd, eller ett aktionsspektrum måste utvärderas, finns det ingen väg runt den spektrala mätningen.
• I många installationer är kombinationen den bästa lösningen: spektral verifiering med längre intervall, kontinuerlig processövervakning genom bredbandig mätning.

Den fullständiga jämförelsen sida vid sida, kriterium för kriterium, finns under val av en bredbandig radiometer eller en spektroradiometer.

Varför kräver en UV-C-mätning särskild omsorg?
Eftersom de flesta UV-källor avger flera storleksordningar mer effekt i det synliga och det infraröda området än i UV-C – och kiselbaserade detektorer är mest känsliga just i det området. Strölvljus inuti instrumentet kan därför ge upphov till en skenbar UV-C-signal som är större än den verkliga.

Vad är spektral mismatch?
Det fel som uppstår när spektrumet hos den uppmätta källan skiljer sig från spektrumet hos den lampa som användes för att kalibrera instrumentet. CIE 220:2016 beskriver hur man kvantifierar detta och hur man tillämpar det som en korrektionsfaktor.

På vilket avstånd från lampan bör mätningar göras?
Tillräckligt långt för att källan ska uppträda som en punktkälla sett från sensorn – som tumregel minst tio gånger dess största dimension. Mätningar på kortare avstånd förblir giltiga avläsningar, men får inte skalas om till andra avstånd med hjälp av kvadratlagen.

Varför spelar kalibreringscertifikatet en så stor roll?
Eftersom det anger kalibreringskällan, den spektrala responsiviteten och mätosäkerheten. Utan dessa tre kan en avläsning inte jämföras med ett gränsvärde, med ett annat instrument eller med en tidigare mätning.

Hur förändrar temperaturen irradiansen?
Temperaturen påverkar mätningen från båda hållen: fotodioden och filtren i en sensor är temperaturberoende, starkare i UVC än i UVA, och både kvicksilverlampor och UV-lysdioder ändrar både strålningseffekt och toppvåglängd med drifttemperaturen. Reproducerbara värden kräver därför en definierad drifttemperatur och ett fast, dokumenterat avstånd.

Sex frågor avgör om en UV-mätning är tillförlitlig:

• Matchar den spektrala responsen strålkällans emission och den avsedda viktningsfunktionen?
• Mäts riktad eller rumsligt fördelad strålning, och passar den vinkelberoende responsen för detta?
• Ligger avläsningen säkert inom mätområdet och det dynamiska omfånget?
• Kan sekundära våglängder eller strövljus förvränga resultatet?
• Avser kalibreringen en tillräckligt likartad källa och geometri?
• Är mätosäkerheten tillräckligt liten för processgränsen?

Hitta rätt sensor: UV Sensor Finder föreslår de tre bäst matchande UV-sensorerna och mätarna efter applikation, våglängd och formfaktor – med nyckelvärden, systempartner och skäl.